сынылған әдебиет

ДƏРІС. Легірлеуші элементтердің жіктелуі. «Іріктеп алу» диаграммасы. Элементтердің құнды сипаттамалары

Кез келген метажүйедегі әрбір элемент екі негізгі параметрмен – еру критериімен және таралу критериімен сипатталуы мүмкін, сонымен бірге диаграммада нүктелермен, координат осімен берілуі мүмкін. Мұндай диаграмма «Іріктеп алу» диаграммасы деп аталады. Оның көмегімен периодтық жүйедегі барлық элементтердің жиынтығын олардың механикалық қасиеттеріне әсерін төрт топқа бөлуге болады.

І. Негізгі легірлеуші қоспалар. Бұл элементтер жоғары шекті еру қасиетіне (көбінесе 1ат.% және одан жоғары) – α критериі және 1-ге жуық немесе үлкен (өспелі перитектика үшін) ω таралу критериіне ие болады. Негізгі легірлеуші элементтердің тек аздаған бөлігі ғана термиялық өңдеуді жеңілдетуді қамтамасыз етеді. Оны жүргізудің міндетті шарты болып шекті ерігіштік түзуі, қатты фазада қабаттар түзуі немесе аллотропиялық өзгеруі болады. Оның тиімділік шарты γ критериі мәнінің мүмкіндігінше аз болуы болып табылады. Термиялық өңдеу шекті ерігіштіктің тік сызығы кезіндегі жоғары температуралық эвтетикалық қорытпаларда, сонымен қатар жаңа фаза құрылу жылдамдығының өте аз жағдайында төмен температуралық жасыту және ескіру кезінде қиындау болады. Барлық осы жағдайларда босату тиімді емес болып қалады. Қорытпаларды термиялық өңдеуден өткізуді жеңілдету мүмкін болатын қорытпа негіздегі күй диаграммасын құру қабілеті бар элементтер өздерінің γ критериінің төмендеу мәнінің қатарын құрады. Сонымен, олар тек негізгі легірлеуші қоспалардың қатарынан ғана шығады.

ІІ. Қосымша легірлеуші қоспалар. Бұл элементтер еру шегі жоғары емес

(α 0,01 – 1 ат. %) және 1-ге жақын таралу критериіне ω ие. Осы критерилердегі оңтайлы қатынастары қаттылықты арттырмай илемділік қасиетін жоғарылату арқылы пластификаторлардың орнына шыға алады. Оларды негізгі легірлеуші қоспалармен біріктіре отырып, олардың әректін күшейтіп немесе алмастырып тұрады. Қоспалардың механикалық қасиеттерге тигізер әсері модификациялау арқылы да болуы мүмкін. Модификация қоспаның құрылымды ұсақтау қабілетін және әрбір бөлшекке сол немесе басқа да шеңбер пішімді құрайтын құрылым беруді түсіндіреді.

Модификаторды таңдау кезінде кристалданудың жаңа орталығын құруы мүмкін, сол үшін келесі шарттарды орындау керек:

Оспалардың өзінің негізгі аралық фазалары немесе жоғары температуралық байланыстары негізгі компонентттерге қарағанда жоғарырақ балқу температурасына ие болуы керек.

Мұндай элементтер аз концентрациялы қорытпалар негізінде звтектика немесе перитектика түзуі керек, сондай-ақ олардың қорытпа негізіндегі ерігіштігі минимальды болуы керек. Сонымен қатар, эвтектикаға дейінгі немесе перитектикаға дейінгі ликвидус сызығы сәйкес фазалардағы жоғарғы балқу темтпературасын дәлелдейтіндей мүмкіндігінше жоғары көтерілуі керек. Бұл жағдайда соңғы таңдау жасау үшін қоспа – модификаторларда қорытпаның компоненттермен байланысындағы балқу температурасы жайлы барлық мәліметтерді білу қажет. Олар «Іріктеп алу» диаграммасының сол жағында орналасқан.

Модификаторлардың келесі түрі – өсіп келе жатқан кристалдардың шекараларында болатын құрылымға әсер етуші белсенді-беткі қоспалар. Бұл беткі «үлдірлер» балқыма модификациялаушы элементтердің ұлғаюына және олардың келесі өсуіне тосқауыл болады. Олар «Іріктеп алу» диаграммасында негізгі қорытпаның сұйық фазадағы кішігірім еру аймағында орналасқан. Әйтпесе, олардың атомдары өсіп келе жатқан түйіршіктердің беткі аймағынан барлық аудандарына оңай шығып кетеді. Бірақ, ерігіштік өте төмен болмауы керек, әйтпесе модификатор-элементтер өте әлсіз ерітінді түзуі мүмкін және жағымсыз қоспа ретінде шығуы мүмкін.

Олар аса жоғары емес таралу критериіне ие болуы керек, бірақ аса төмен де болмауы керек, себебі, түйірлердің шекараларында жиналып, қорытпаның сынғыштығын тудырады. Олардың орындары – «Іріктеп алу» диаграммасындағы қосымша легірлеуші элементтердің төменгі жағында болады. Мұндай қосыма легірлеуші қоспалар «Іріктеп алу» диаграммасының жоғарғы ауданында негізгі легірлеуші қоспалармен бірге орналасады, бірақ аз концентрацияда жатады.

Қосымша легірлеуші элементтерге 0,1-0,001% болатын микролегірлеуші қоспалар да жатады. Олар аз концентрацияда қасиеттерін өзгертпестен қорытпа құрылымына жеткілікті мөлшерде әсер етпейді. Бұлар ену қоспаларын түзетін элементтер.

ІІІ. Бейтарап қоспалар. Бұл элементтер өте төменгі ерігіштікке (0,01 – 0,001 ат. %) ие болады және таралу критериіне тәуелсіз, қорытпалардың механикалық қасиеттеріне әсерін тигізбейді, көп жағдайларда қатты ерітінді түзу арқылы ғана болады. Бұл қасиет олардың микролегірлеуші элементтерден айырмашылығын көрсетеді. Олар легірлеу үшін қолданылмайды және олардың құрамы бақыланбайды.

IV. Жағымсыз қоспалар. Бұл элементтер төменгі таралу критериіне және аса аз емес ерігіштікке ие. Әр түрлі негізде 0,05-0,7 аралығында жататын таралу критериін жағымсыз ететін шекті мәні болады. Неғұрлым қорытпа негізі ену қоспасының әсеріне сезімтал болса, соғұрлым шекті мәні жоғары болады.

Қоспаның ерігіштігі жоғары болған сайын оның жағымсыз әсерлері де күштірек болады. Оларды бақылаудың мәні және техникалық жағдайлардағы шектеулер, өндірісте нақты жағдайларында қорытпаға түсетінін анықтау үшін жүргізіледі. Жағымсыз қоспалардың құрамын шектеу қорытпалардың механикалық қасиеттерін жоғарылату болып табылады.

Экономикалық мақсаттылығы. Қолданыс үшін негізгі сипаттамаларды жоғарылататын легірлеуші қоспалар таңдалуы керек. Экономикалық мақсаттылығы легірлеу үшін эксплуатациялық қасиеттерін жоғарылатуды анықтау бұйымның көлемін немесе салмағын кішірейту үшін экономикалық әсерінен берілген элементті легірлеу қорытпаның қымбаттауын шамадан тыс асырады.

Легірлеуші элементтер ереже бойынша, негізгі маңыздысы жез болса да негізінен қымбат болады. Мырыш оның тек механикалық қасиеттерін жоғарылатып қана қоймайды, сонымен қатар, арзан болады. Сол себепті де ол жездің құрамына көп мөлшерде енгізіледі. Легірлеу үнемділігі қорытпа негізінің бағасына, енгізілетін қоспа мөлшеріне тәуелді. Қорытпа негізі неғұрлым қымбат болатын болса, соғұрлым легірлеуші қоспалар да қымбатқа түседі. Егер қоспа аз мөлшерде қосылатын болса, мүмкін бағасы да жоғары болады. Техникалық – экономикалық көрсеткіші бойынша элементтерді сұрыптауда тек қана ағымдағы бағасына көңіл аударып қана қоймай, болашақтағы қоспаның бағасының арзандау немесе қымбаттау тенденциясын да еске алып отыру қажет.

Элементтердің құнды сипаттамалары. 1-кестеде элементтердің салыстырмалы бірліктегі бағасы мен құнды көрсеткіштерінің топтастырулары көрсетілген. Сапа құнының эталоныны ретінде қымбат емес элементтердің бағасы қолданылған.

8.1-кесте - Элементтердің шартты бірліктегі бағалары

Сынып	Бағасы, у.е./кг	Элемент	Сыныптағы элементтер-дің саны
Арзан	0,1	C, Cl, O, N, S
—	0,1 – 1,0	Fe, Si, Zn, Al, Pb, Mg, Cu, Ar, Na
Қымбат емес	1,0 – 10	F, Mn, Br, As, P, H, K, Sb, Ti, Cr, Ni, Ca, I
Қымбат	10 – 100	Sn, W, Cd, Bi, Mo, Hg, Se, Te, Zr, Co, U, Ag, Ba, Sr, Li, V, Ce, He, Nb, La, B
Қымбат тұратындар	100 – 1000	Tl, Th, Nd, Cs, Be, Ta, In, Pr, Kr, Ga, Ne, Ge, Pd
Өте қымбат	1000 – 10000	Au, Xe, Re, Rb, Er, Sm, Dy, Ru, Y, Hf, Pt, Yb, Sc, Gd, Ho, Rh, Tb, Ir, Os
Бағасыз	> 10000	Eu, Lu, Tm, Pu, Tc, Rn, Po, At, Fr, Ra, Ac, Pm, Pa, Np, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr, Ku

 

Элементтің бағасы келесі негізгі факторлармен анықталады: жер қойнауындағы таралуына, химиялық тұрақтылығына (неғұрлым белсенді элемент болса, соғұрлым оны таза күйінде алу қымбат тұрады), өндіріс аймағына, шаруашылық және саясат бәсеклестігі (өнеркәсіп қажеттілігі).

1) Жер қойнауында кең таралғандар. Жер қойнауындағы элементтердің құрамына қарай, литосфера, гидросфера, атмосфераны қосқанда, оларды бес топқа бөлуге болады:

1.1 Көп тарағандар. Олардың әрқайсысы массасы бойынша концентрациясын 1%-дан асырмайды. Бұл топқа 9 элемент кіреді: оттегі, кремний, алюминий, темір, кальций, натрий, магний, калий, сутегі. Олар жер қойнауының 98,13 %-ын құрайды. Олардың ішінде алюминий, темір және магний маңызды өнеркәсіптік қорытпалардың негізі болып табылады және қазіргі уақытта арзан элементтер категориясына жатады.

1.2 Кеңінен таралғандар. Массасы бойынша 1,0-ден 0,01-ге дейін концентрацияланады. Бұл топқа көміртегі, фосфор, күкірт, титан, ванадий, хром, марганец, никель, мыс, мырыш, стронций, цирконий, барий жатады. Олардың бағасы арзаннан қымбатқа дейін ауытқып отырады.
Кеңінен таралған қорытпалар негізі болып титан, никель, мыс, мырыш табылады.

1.3 Аз кездесетіндер. Массасы бойынша 0,1-ден 0,00001-ге дейін концентрацияланады. Бұл топқа литий, берилий, скандий, кобальт, германий, селен, ниобий, молибден, күміс, кадмий, қорғасын, сурьма, вольфрам, платина, свинец, висмут, торий, уран және басқа лантоноидтың барлығы жатады. Бұл элементтердің жалпылама тобы. Олардың ішінен тек сурьма мен қорғасын қымбат, ал иттрий, скандий, платина және аз кездесетін жер элементтері өте қымбат топқа жатады.

1.4 Өте аз кездесетіндер. Бұл элементтердің жер қойнауындағы массасы бойынша 0,00001 % концентрацияланады. Топтың элементтері: инертті газдар, платина металлдары (платинаның өзінен басқасы), алтын, рений, радий, теллур, актиний. Бұл топтан тек ртуть пен теллур ғана өте қымбат элементтер қатарына жатады.

1.5 Жасанды. Бұған жер қойнауында кездеспейтін, жасанды жолмен алынатын, соның ішінде, плутоний, технеций және барлық трансуранидтер кіреді.

2) Химиялық тұрақтылық. Бірдей таралған кейбір элементтер бағасы бойынша үш қатарға бөлінеді. Бұл рет бойынша жер қойнауындағы элементтердің жалпы құрамы оның белгілі бір кен орнында жинақталған және өндіріс технологиясының мәнін көруге болады. Элементтер таза күйінде айқындау тәсілінтөрт топқа бөлінеді:

2.1 Физикалық тәсіл (қыздыру, фракциялық айдау, т.б.). Бұл негзінен арзан тәсіл болып табылады, оның көмегімен сынап, платина және платиноидтарды, алтын, күміс, азот, көміртегі, инертті газдар, күкірт, оттегін алады.

2.2 Бейметалдармен – көміртекпен, сутекпен және күкірт тотығымен қалпына келтіру. Бұл тәсіл қымбат тәсіл болып табылады,

Элементтердің бағасы тұрақты болмайды және уақыт өткен сайын өзгеріп тұрады. Бағаларының өзгеру тенденциясы бойынша элементтер үш топқа бөлінеді:

Қымбаттары: 1,2-ден 3,0-ге дейін - Bi, W, I, Cu, Mo, As, Ni, Mn, Sn, Hg, Pb, Te, C, P, Zn, V, Ta, Cl.

Тұрақтылары: Al, Ar, N, Br, B, H, He, Fe, K, Si, O, Kr, Xe, Na, S, Sb, Mg, F, Cr.

Арзандаулары: 1,5 ретке дейін - Re, Sc, Ba, Cd, Ca, Co, Pr, Se;

1,5-нан 3,0 ретке дейін – Be, Ge, Li, Sr, Ti, Th, La, Tb;

3,0-ден 5,0 ретке дейін – Ce, Pu, U, Gd, Hf, Ho, Dy, Nb, Nd, Lu;

5,0 реттен көп - In, Rb, Tl, Cs, Zr, Y, Eu, Yb, Sm, Ne, Fr.

 

Қымбаттар. Бұл топқа ескі және жер қойнауында таралмаған элементтер жатады. Қымбаттаудың негізгі себептері болып бай кен орындарының азаюы және концентрат алу үшін жасалынатын байыту операциясына қосымша шығын талап ететіндіктен мәжбүрлі түрде жұтаңдау кендерге ауысуынан тұрады.

Тұрақты. Бұл топқа өндіріс технологиясы өтелген кеңінен таралған элементтер жатады, яғни «көне» элементтер болып табылады. техникалық прогресс кендердің жұтаңдануы үлкен қор мен өндіріс аймағының бағасының тұрақтылығын сақтап қалады.

Арзандаушылар. Бұған өндірісте жақында пайда болған, негізгі бейнесі өнеркәсіптегі жаңа салалардың (атомдық, ғарыштық) және техника түрлері (оптика-талшықтық) «жас» металлдар жатады.

Кез келген элемент баға құру динамикасының жалпы сызбасына ие: бастапқы бағасы қымбат, содан соң арзандайды, одан кейін тұрақтылық кезеңі басталады және оның қайта қымбаттай бастайтыны анық. Металл тұтынудың белгіленген тенденциясында металлдардың ғана емес, сонымен қатар көптеген элементтердің аз ғана уақыт аралығында бағалары өсетіні көрсетілген. Төменде кейбір элементтердің құндылық көрсеткіші мыстың 1,0 қатынасымен алынған орташа бағалары көрсетілген.

Мыс - 1,0 Кобальт - 16,1 Қорғасын - 10,3

Алюминий - 0,63 Литий - 45,5 Свинец - 0,67

Бериллий - 210 Магний - 0,76 Тантал - 370

Ванадий - 60 Марганец -1,24 Титан - 2,15

Вольфрам -15,3 Молибден - 19,2 Хром - 1,68

Темір - 0,175 Никель - 4,05 Цирконий - 24,3

Ең қымбат элементтер болып: гадолиний – 1500, гафний –1325, гольмий – 1800, европий –3000, лютеций – 10500, скандий –3000, тербий – 3500, тулий – 9500 табылады. Қазіргі уақытта практикада кеңінен қолданатын гафниийді тапты, ол ядролық ректорлардың жұмысында реттеуші серіппе жасау үшін қолданылады.

сынылған әдебиет

Негізгі 3 [40-51, 111-114], 5 [160-163].

Бақылау сұрақтары:

1. «Іріктеп алу» диаграммасы дегеніміз не?

2. Барлық легірлеуші элементтер қандай топтарға жіктеледі?

3. Қандай легірлеуші қоспалар қосымшатобына жатады?

4. Қандай факторлар элементтің бағасына әсер етеді?

5. Қорытпа негізінің бағалық динамикасы қалай өзгереді?